不同地理唐古特白刺家系花粉形态多样性研究

李超群,李 毅,张咏梅,陈君婵,李 蒙,芦 倩

(1.甘肃农业大学 林学院,兰州 730070;2.甘肃农业大学研究测试中心,兰州 730070)

白刺是古老的第三纪孑遗植物[1],由于在独立成科的问题上一直存在争论[2],目前,分类学上普遍认同白刺属于蒺藜科白刺属(ZygophyllceaeNitraria)。在世界范围内白刺属被划分为11种或13种,但绝大部分学者认为有12种[3-6],在中国分布有8种,其中,唐古特白刺为中国特有种[7]。

花粉是植物开启一生的关键因素之一,携带着大量的遗传信息。其表面纹饰精巧,形态特殊,构造奇特,在随着环境的变化发展中,具有稳定的遗传保留性和呈现性[8-9]。因此,植物花粉的外部特征是分类学的重要指标之一,对植物物种和品种的鉴定具有十分重要的意义[10]。潘晓玲等[2]依据果实和叶片性状对白刺属植物进行了分类,制作了分种检索表,却未考虑到花粉和种子等性状具有较高的遗传稳定性。目前,关于白刺花粉研究的文献较少。席以珍等[1]利用白刺属化石花粉与现代花粉进行了对比研究,明确了白刺花粉形态的进化方向;努尔巴衣·阿布都沙力克等[11]利用腊叶标本对蒺藜科5属11种植物花粉的形态进行了研究,结果表明花粉表型性状是可以作为区分5个属之间的重要依据,并且支持白刺属升为白刺科;张晓明等[12]在内蒙古收集白刺属花粉,制作标本后进行观察研究,发现不同种之间存在差异,而且白刺属植物可能正处于进化过程中的分化阶段。唐古特白刺(Nitrariatangutorum)花粉的研究水平仍停留在白刺属或种间,而对这一特有种的花粉未见详细研究报道。相关文献[10,13-15]证明植物在种间与种内均有不同程度的遗传多样性,而同一植物个体产生不同的花粉形态有利于植物的进化,对此,研究唐古特白刺种内花粉多样性对于遗传育种具有重要意义。甘肃地处青藏高原、黄土高原、蒙新高原和西秦岭山地的交汇地带,境内地形地貌复杂、气候多变[16],尤其是地处青藏高原向蒙新荒漠过渡的甘肃省河西走廊,大部分地区属于中国中度和重度生态环境脆弱区,白刺属植物资源分布非常充足,可以提供丰富多样的试验材料。前人的试验材料均来自标本,而标本花粉与自然状态下的花粉存在明显的差异[17]。本研究选用甘肃省不同地理的6个唐古特白刺家系花粉,采用冷冻干燥的方法,旨在发现唐古特白刺不同家系间花粉形态的变异,从种内角度研究其花粉的遗传多样性。

1 材料与方法

1.1 材料收集

唐古特白刺试验林位于甘肃省兰州新区中川镇倒水塘村(36°30′N,103°37′E),黄土高原的西北部,海拔1 947.2 m,年降水量328 mm,1月平均气温为-6.9 ℃,7月平均气温为22.2 ℃,属于温带半干旱大陆性气候,土壤均为碱性砂壤。试验林由2011年收集的来自甘肃省武威、张掖和酒泉等地区的唐古特白刺自然群落的种子,建植成林。2020年6月20日选择处于盛花期的、生长健壮的唐古特白刺家系(表1),每个家系随机选择3个单株收集新鲜花粉,低温保存带回实验室。

表1 唐古特白刺家系的概况

1.2 预处理

将采集的新鲜花粉放入5 mL离心管中,将离心管盖剪掉,用封口纸将管口封实,然后用小针在封口纸上留下4～6个小孔,冷冻干燥12 h。

1.3 扫描电镜观察花粉形态

取出预处理后的离心管于干燥器中恢复至室温,将花粉均匀粘贴在双面导电胶上。离子溅射仪进行喷金(Pt)1.5 min。然后在扫描电子显微镜(HITACHI S-3400N,日本)下观察花粉的表面形态,镜下挑选30粒清晰花粉粒进行拍照,利用Photoshop测量花粉粒极轴长和赤道轴长等数据并记录。

1.4 数据统计与分析

利用Excel 2019软件统计花粉测量数据,在此基础上利用SPSS 18.0软件对测量数据进行方差分析,统计各个家系间的异同,并计算变异系数(CV):CV=标准差/平均值×100%;后进行主成分分析,得到不同家系间变异的主要性状,并将6个家系进行聚类分类。

2 结果与分析

2.1 唐古特白刺花粉的基本特征

6个唐古特白刺家系花粉均以单粒形式存在,极轴长为35.95～41.53 μm,赤道轴长为 18.34～22.52 μm,极轴长/赤道轴长(P/E)在 1.82～1.96,均为中等大小花粉,长球形,具三孔沟。家系zglq-14的花粉粒最大(41.53 μm× 22.52 μm),萌发沟长(36.94 μm±0.53 μm)占极轴长的91%,家系w3-1的花粉粒最小(35.95 μm×18.34 μm),萌发沟(30.21 μm±1.07 μm)占极轴长的84%;家系w3-1的萌发沟脊面最窄(11.90 μm±0.43 μm),家系j3-30的最宽(15.88 μm±0.20 μm)。而花粉在萌发沟特征、萌发沟脊面形状及纹饰类型等方面存在显著差异(表2、图1)。

图1 不同家系花粉表型性状

表2 6个家系唐古特白刺性状指标值

萌发沟特征为(CG):①窄,存在缝隙;②宽,存在连接;③窄,存在连接;④窄,无连接;⑤宽,无连接。脊面形状(垂直赤道轴观察)为(GS):①两极小,中间大;②变化不大;③两极小,中间凹陷。萌发沟为赤道三孔沟,纹饰类型为(PT):①条状,脑状;②脑状;③条状,负网状。由表面纹饰有无组成图案(P)分为:①无;②似“指纹”。孔穴的形状有(HS):①条形;②圆形(所有花粉粒上均有条形、圆形孔穴, 以占比多的命名为条形孔穴和圆形孔穴)。

家系j3-30表现为:萌发沟窄,存在缝隙;萌发沟脊面表现为:两极小,中间较大;表面纹饰表现为条状、脑状混合与脑状等两种,不规则图案;孔穴形状有条形、圆形孔穴。

家系jc-17表现为:萌发沟有宽有窄,有连接;萌发沟脊面表现为:两极小,中间较大;表面纹饰表现为条状、脑状混合与脑状等两种,不规则图案;孔穴形状为圆形孔穴。

家系zglq-14表现为:萌发沟宽,存在连接,萌发沟窄,无连接;萌发沟脊面表现为:①两极小,中间大;②变化不大;③两极小,中间凹陷;表面纹饰为条状、脑状与条状、负网状混合等两种,并会构成似“指纹”般的图案;孔穴形状为圆形孔穴。

家系zglsm-29表现为:萌发沟宽,存在连接与无连接;萌发沟脊面表现为:①两极小,中间大;②变化不大;表面纹饰为:①条状,脑状混合;②脑状;③条状,负网状混合,不规则图案;孔穴形状为条形、圆形孔穴。

家系w3-1表现为:萌发沟有宽有窄,存在连接;萌发沟脊面表现为:①两极小,中间大;②两极小,中间凹陷;表面纹饰表现为条状、脑状混合与脑状等两种,不规则图案;孔穴形状为条形、圆形孔穴。

家系w2-28表现为:萌发沟窄,存在缝隙,存在连接,而萌发沟宽,存在连接;萌发沟脊面表现为:①变化不大;②两极小,中间凹陷;表面纹饰为条状、脑状混合,并会出现似“指纹”般的图案;孔穴形状为条形、圆形孔穴。

2.2 唐古特白刺家系花粉间性状比较

花粉表型性状的方差分析结果见表3。6个唐古特白刺家系花粉在赤道轴长、萌发沟长和萌发沟脊面宽等存在显著差异,其余花粉表型性状差异不大,说明唐古特白刺花粉性状具有较高的遗传稳定性。花粉表型性状的变异系数为 4.33%～40.09%,平均变异系数为10.58%(表4),其中有4个家系(zglq-14、w2-28、zglsm-29、w3-1)的平均差异系数高于10%,说明家系的遗传多样性较丰富,而酒泉的两个家系(j3-30、jc-17)变异系数均小于10%,酒泉的家系遗传稳定性相对较高。不同家系间花粉的极轴长 (5.47%)、赤道轴长(4.33%)、极轴/赤道轴 (4.97%)、萌发沟长(4.84%)、萌发沟长/极轴 (5.15%)和萌发沟脊面宽(4.71%)等变异系数较小,说明花粉的数量性状差异较小。但萌发沟特征(31.02%)、萌发沟脊面形状(29.78%)、纹饰类型(40.09%)、图案(12.99%)和孔穴形状 (25.98%)等变异系数较大,说明花粉的质量性状差异较大。

表3 6个家系间花粉表型性状方差分析

表4 6个家系间花粉表型性状变异系数

2.3 唐古特白刺花粉性状主成分分析

对花粉形态指标进行主成分分析,旨在可以找到一些反映家系间花粉变异的性状。结果(表5)表明:前4个主成分的累计贡献率达到 74.977%,涵盖了所有花粉性状指标,其中主成分1(贡献率:30.689%)中,赤道轴长(0.916)、萌发沟长(0.920)和萌发沟脊面宽(0.791)的因子荷载值比较大,花粉的数量性状占主导地位;主成分2(贡献率:21.141%)中,极轴长(0.660)、极轴长/赤道轴长(0.820)、萌发沟长/极轴长(-0.768)和图案(-0.711)的因子荷载值比较大,花粉的数量性状占主导地位;主成分3(贡献率:12.143%)中,纹饰类型(0.603)和孔穴形状(-0.372)的因子荷载值比较大,花粉的质量性状占主导地位;主成分4(贡献率:11.002%)中,萌发沟特征 (-0.767)和萌发沟脊面形状(0.433)的因子荷载值比较大,即花粉的质量性状占主导地位。综上所述,唐古特白刺花粉性状中数量性状累积方差的贡献率高于质量性状的贡献率,说明质量性状的遗传稳定性高于数量性状。

表5 主成分分析

2.4 唐古特白刺家系的聚类分析

对唐古特白刺花粉性状进行家系聚类分析,采用组间联接法,生成聚类树系图(图2)。在阈值5以后,6个唐古特白刺家系被划分为两大类,第一类包括zglq-14(张掖甘州龙渠)、zglsm-29(张掖甘州老寺庙)、w2-28(武威民勤小坝口)、j3-30(酒泉金塔)和jc-17(酒泉瓜州槽沿子),第二类包括w3-1(武威民勤沙井子)。第一类进一步可分为两个亚类,第一个亚类包括zglq-14(张掖甘州龙渠)、zglsm-29(张掖甘州老寺庙)和w2-28(武威民勤小坝口),第二个亚类包括j3-30(酒泉金塔)和jc-17(酒泉瓜州槽沿子);第一个亚类还可细分为zglq-14(张掖甘州龙渠)、zglsm-29(张掖甘州老寺庙)和w2-28(武威民勤小坝口)。通过聚类分析发现细分之下,唐古特白刺家系花粉的聚类与地理分布有显著相关性。

图2 唐古特白刺花粉性状聚类

3 讨 论

一般来说,由于植物花粉结构的高遗传保守性,使其成为了研究植物起源、进化、分类和亲缘关系的重要性状。在这种情况下,许多学者[11-12,18]均以唐古特白刺作为白刺属的代表植物,致力于研究白刺属的分类学地位,结果均支持白刺属独立成科,但选取的唐古特白刺花粉表型性状过于单一,且对其存在的差异并没有进行深入研究。本研究在增加观察及测量性状的基础上发现唐古特白刺花粉形态比较一致,为中等大小花粉粒,长球形,具三孔沟,萌发沟宽,局部连接,萌发沟脊面为两极小,中间大,呈“凸”形增大,纹饰类型为条状、脑状,并没有构成图案。为了适应不同的环境条件,同一植物个体花粉也会出现多种变异形态,是更有利于植物的进化[19]。如武威民勤小坝口的花粉萌发沟随宽窄不同,开裂的程度不同;张掖甘州龙渠的花粉萌发沟脊面形状有3种,变异较大;张掖甘州老寺庙的花粉纹饰类型有3种,最丰富;仅有张掖甘州龙渠与武威民勤小坝口的表面纹饰构成了似“指纹”的图案。结合资料,查阅前人研究[20-22]发现植物花粉形状的演化趋势是:舟形→纵长形→球形→扁球形→球形→圆球形→长球形;萌发沟的演化趋势是:单沟→具沟→三沟;表面纹饰的演化趋势是:表面光滑→表面条纹状、网状→表面疣状、刺状;萌发孔的演化趋势是:横长→圆形。即说明唐古特白刺属于较进化的种。

遗传因素与环境条件是影响花粉形态的主要原因,而种内花粉的丰富差异主要来自局部环境影响[23]。对此,索玉静等[24]、单奇等[25]都已经在其他植物上进行了研究,均发现了种内花粉确实存在丰富的遗传差异。本研究材料来自于唐古特白刺试验田,首先材料在相同环境下生长10年,排除了由于环境条件影响而产生的差异,因此表现出的差异主要受遗传因子控制[26]。其次唐古特白刺的花粉性状较多,存在信息重叠现象,通过主成分分析,减少干扰,可以得到简洁的结果[27]。在本研究中,发现前两个主成分中数量性状的载荷值位于前列,则花粉质量性状的遗传变异相对数量性状较稳定,因此质量性状表现出的差异是来源于遗传基因的差异,但还需要进一步通过分子水平进行验证。聚类结果没有严格地按照不同地理聚类,但在小范围内将近距离的聚为一类,说明唐古特白刺花粉与地理环境有显著关系,与吉德娟等[28]发现唐古特白刺果实、叶片等性状与地理存在显著关系的结果一致。可以为唐古特白刺种质资源遗传多样性及育种研究提供一定依据。